Барабанов В. С., Крупин А. В.
МГИ НАНУ, отдел взаимодействия атмосферы и океана, аспирант
Научный руководитель: проф., зав. отделом, д.ф.-м.н. Ефимов В.В.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕЗОМАСШТАБНЫХ МОДЕЛЕЙ ММ5 и WRF
MM5 является числовой моделью предсказания погоды для ограниченных территорий. Была разработана в Государственном Университете Пенсильвании / Национальном Центре по Исследованию Атмосферы (Pensylvania State University / National Center for Atmospheric Research, PSU/NCAR), США. «MM»в названии означает «Mesoscale and Microscale (Мезошкала и Микрошкала)».
Проведенный нами региональный реанализ атмосферной циркуляции осуществляется на основе известной мезомасштабной модели ММ5 версии 3.7 [10]. В отличие от аналогов расчетные области (домены) данной модели были специально выбраны с целью детального воспроизведения состояния атмосферы для юга Украины и акватории Черного моря. Характерные особенности адаптированной версии модели и всей системы анализа описываются ниже.
Модели для ограниченной территории требуют задания не только начальных, но и периодически подкачиваемых граничных данных, от которых в значительной мере зависит качество моделирования. В данном случае начальные и граничные условия для модели ММ5 брались из глобального оперативного анализа GDAS с пространственным разрешением 10х10 и дискретностью повремени 6 часов.
Граничное условие на подстилающей поверхности для акватории Черного моря бралось из оперативно пополняемого архива глобальной температуры поверхности океана Reynolds SST [4]. Эти данные также имеют пространственное разрешение 10х10 и обновляются раз в неделю. Оба источника данных широко востребованы метеорологами во всем мире и достаточно надежны.
Использовались три вложенных домена с шагом сетки 27,9 и 3 км, внешний с сеткой узлов и внутренний охватывающий акваторию Черного моря. По вертикали имелось 30 неравномерно расположенных уровней.
В модели ММ5 предусмотрены реализации различных схем параметризации подсеточных процессов. Ниже перечислены варианты, выбранные в реализованной системе (они так же присутствуют в [1]):
1. Для параметризации физических процессов в пограничном слое выбрана схема Pleim-Chang.
2. Для параметризации кучевой конвекции использовалась схема Grell.
3. Для расчета переноса излучения в атмосфере была вы брана схема Simple Ice с одной формой льда ватмосфере.
4. Для расчета переноса гидрометеоров использовалась схема Simple Ice с одной формой льда в атмосфере.
5. Для расчета потоков тепла на поверхности суши использовалась модель Pleim-Xiu.
Указанные схемы, судя по литературе, оптимальны для расчета в средних широтах с разрешением до нескольких километров и не требуют значительных
Рис. 1 Скоростьветра в г. Черноморске (м/с)
Рис. 2 Скорость ветра в г. Керчь (м/с)
вычислительных ресурсов. Схема Pleim-Xiu/Pleim-Chang при этом включает некоторые усовершенствованные параметризации для приземного слоя[11]. Модель была установлена на персональном компьютере с процессором AMDAthlon 2 ГГц время счета на сутки составляло около 12 часов. Расчетный период для модели составлял один месяц (с 1 по 31 августа 2007 г.).
Рис. 3 Скорость ветра в г. Симферополь (м/с)
Модель WRF (Weather Research and Forecasting, Исследования и Прогнозирование Погоды) является мезошкальной числовой моделью для предсказания погоды следующего поколения созданной с целью обеспечить потребности как в оперативном прогнозировании, таки в исследованиях атмосферы (см., например, [2]). Эволюционное продолжение MM5 модели. Разработка модели WRF велась коллективно,в основном NCAR, NOAA (в составе NCEP), FSL (Forecast Systems Laboratory, Лаборатория Систем Прогнозирования), AFWA (Air Force Weather Agency, Погодное Агентство Воздушных Сил), Naval Research Laboratory, Oklahoma University(Лаборатория Морских Исследований, Университет Оклахомы) и FAA (Federal Aviation Administration, Федеральная Авиационная Администрация).
Использовалось два вложенных домена с шагом сетки 27 и 6 км, внешний и внутренний охватывающий акваторию Черного моря. По вертикали имелось 30 неравномерно расположенных уровней. Расчетный период для модели составлял 26 дней (с 20 июня по 15 августа 2007 г.). Данные со станций взяты из оперативно пополняемого архива погоды [5].
Сравнение проводилось для трёхкилометрового домена ММ5 и шестикилометрового домена WRF. Сравнивались значения скоростей ветра на нижнем уровне (порядка десяти метров), полученные в результате моделирования, с данными измерений со станций, для населённых пунктов Черноморск (рис. 1), Керчь (рис. 2) и Симферополь (рис. 3). Для каждого пункта были посчитаны средние значения скорости ветра, корреляции, среднеквадратичные отклонения для модельных данных и данных со станции. В качестве сравниваемого параметра была выбрана скорость ветра, потому что она является наиболее объективной для оценивания. Данные сравнивались для трёхсотчасового периода.
Для всех станций, (за исключением Симферополя, где ММ5 даёт немного лучшую корреляцию) Значения среднеквадратичного отклонения для ММ5 больше, а значения корреляции меньше,чем для WRF. В тоже время средние значения скорости по всем населённым пунктаму ММ5 ближе к средним значениям скорости со станций, чем у WRF.
Несмотря на увеличение разрешения, модель ММ5 даёт несколько худшие значения выходных параметров в конкретных точках, что связано, возможно, с генерацией мелкомасштабных процессов, из-за высокого разрешением выходного домена. Более высокое разрешение позволяет моделировать и разрешать с большей точностью мезомасштабные явления размером 10–100 км, такие как горные волны и ветры, морские бризы, гравитационные волны. Моделирование этих явлений представляет большой как научный, так и практический интерес.
Информационные источники
1. Ефимов В.В., Барабанов В.С. Бризовая циркуляция в Черноморском регионе / Морской гидрофизический журнал.
2. http://www.windguru.com
3.http://www.mmm.ucar.edu/mm5
4.http://nomads6.ncds.noaa.gov/pub/raidlc/sst
5. http://www.rp5.ru | 
